(57)【要約】【課題】作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】水素を含有する水素含有燃料ガス５１を利用して発電を行う燃料電池３を備えた燃料電池システム１。燃料電池システム１は、燃料電池３を冷却するための冷却媒体４１を循環させる冷媒循環流路４を有している。冷却媒体４１は無機系冷媒である。燃料電池システム１の停止時においては、冷却媒体４１を、冷媒循環流路４又はこれに連通する部位における一箇所又は複数箇所の特定部位１６に保持するよう構成してある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる冷媒循環流路を有しており、
上記冷却媒体は無機系冷媒であり、
上記燃料電池システムの停止時においては、上記冷却媒体を、上記冷媒循環流路又はこれに連通する部位における一箇所又は複数箇所の特定部位に保持するよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、上記燃料電池は、上記水素含有燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸素を含有する酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有燃料ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、上記無機系冷媒は、上記燃料電池の作動温度域で液体状態にある無機系冷媒であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、上記無機系冷媒は、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムの少なくとも１種を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、上記特定部位は、上記冷媒循環流路と連通され上記冷却媒体を貯蔵するためのタンクであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記特定部位には、上記冷却媒体との熱交換を行うことができる熱交換手段が配設されており、該熱交換手段は、上記燃料電池システムの始動時に上記冷却媒体へ熱量を供給することができるよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記特定部位には蓄熱材が配設されており、上記燃料電池システムの定常作動時における上記冷却媒体の熱量を上記蓄熱材に蓄熱し、上記燃料電池システムの停止時又は始動時に、上記蓄熱材に蓄熱された熱量を上記冷却媒体に供給することができるよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項において、上記冷媒循環流路の少なくとも一部あるいは該冷媒循環流路と連通された部位には、上記冷却媒体と気体の熱交換用流体との熱交換を行うための熱交換手段が設けてあり、該熱交換手段は、上記燃料電池システムの定常作動時に上記冷却媒体と上記熱交換用流体との熱交換を行うことができるよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムとして、例えば特許文献１あるいは特許文献２に示すものがある。
上記燃料電池には適切な作動温度があるため、上記燃料電池の温度をこの作動温度領域内に保つよう、温度レベル、分布を制御する必要がある。
そのために、上記燃料電池システムにおいては、気体あるいは液体の冷却媒体を流通させて、燃料電池の温度上昇を防ぎ、温度制御を行っている。
【０００３】
一方、燃料電池の作動温度を例えば３００℃以上の所定領域とする場合も考えられる。
このような高温の温度領域を作動温度とする燃料電池としては、例えば特許文献３に示すものがある。この燃料電池においては、改質器を用いて炭化水素等を改質して上記水素含有燃料ガスを生成する場合に、該水素含有燃料ガスの温度を大幅に冷却させる必要がないなどの利点がある。上記改質器において生成される水素含有燃料ガスは４００℃以上の高温にあるが、上記燃料電池の作動温度もこれと同等の高温であるからである。
【０００４】
しかし、上記のような高温で作動する燃料電池の温度制御に、例えば炭化水素系等の有機系の液体冷媒を用いると、炭化などの問題が生ずるおそれがある。このように、有機系の液体冷媒は、３００℃を超える温度領域においては耐熱性の観点から使用が困難となるおそれがある。
一方、気体の冷却媒体を用いると、熱容量が小さいために、冷却媒体の流量を非常に大きくする必要があると共に、上記冷却媒体を適量使用した場合には上記冷却媒体は燃料電池内を循環する間に温度が大きく上昇してしまうために、燃料電池内において温度分布が発生しやすいという問題がある。これにより、燃料電池の均一な温度制御が困難となる。
【０００５】
燃料電池の内部において温度分布が発生すると、熱応力が発生し、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。
また、燃料電池内における局所的な温度低下は、電解質導電率の低下や水素脆化などの要因となり、また、局所的な温度上昇は、金属拡散による劣化の要因となって燃料電池の耐久性の低下の原因となるおそれがある。
【０００６】
更に、３００℃以上の温度において液体状態にある冷却媒体であっても、常温においては固形化してしまう場合もある。それ故、燃料電池システムの定常作動時は液状を保っていても、停止時において冷却媒体が固形化することが考えられる。
この場合、冷却媒体が、冷媒循環流路中に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素において固形化すると、これらの要素に、咬み込みや作動不良等の不具合を招くおそれがある。その結果、燃料電池システムの円滑な作動が妨げられるおそれがある。
【０００７】
また、冷媒循環流路の全域にわたって、固形化した冷却媒体が存在すると、これを融解して液化することが困難となる場合がある。
更に、燃料電池システムの停止時に、冷媒循環流路の全域において冷却媒体が分散した状態にあると、表面積が大きい状態にあるために温度低下しやすくなり、固形化の速度が速くなるという問題もある。
その結果、燃料電池システムの始動時において、固形化した冷却媒体の融解に時間がかかり、円滑な始動が困難となるおそれがある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１５１５９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３０１７号公報
【特許文献３】特開２００４−１４６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる冷媒循環流路を有しており、
上記冷却媒体は無機系冷媒であり、
上記燃料電池システムの停止時においては、上記冷却媒体を、上記冷媒循環流路又はこれに連通する部位における一箇所又は複数箇所の特定部位に保持するよう構成してあることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【００１１】
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システムにおいては、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体として、無機系冷媒を用いている。無機系冷媒は無機物により構成されているため熱安定性に優れ、３００℃以上という高温においても変質することがない。
それ故、上記無機系冷媒は、作動温度を３００℃以上の所定領域とする燃料電池を温度制御するための冷却媒体として、充分に機能することができる。
【００１２】
また、上記無機系冷媒は、３００℃以上において液体の状態に保つことができる。それ故、上記冷却媒体を熱容量の大きい状態で冷媒循環流路に流通させることができるため、燃料電池との熱交換効率を高くすることができる。そして、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を抑制することができるため、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができる。
【００１３】
また、上記燃料電池システムの停止時においては、上記冷却媒体を、上記冷媒循環流路又はこれに連通する部位における一箇所又は複数箇所の特定部位に保持する。そのため、冷却媒体が温度低下して固形化しても、上記特定部位において固形化させることとなる。それ故、上記特定部位を、例えば冷媒循環流路中における、バルブ、駆動部、調整弁等の各種要素が配設されていない部位とすることにより、上記各種要素の作動不良等の不具合発生を防ぐことができる。その結果、燃料電池システムの円滑な作動を確保することができる。
【００１４】
また、上記燃料電池システムの停止時に冷却媒体を上記特定部位に集めておくことにより、冷却媒体の表面積を小さくして温度低下を緩和することができ、固形化の速度を遅らせることができる。
更に、冷却媒体を特定部位に集めておけば、冷却媒体が温度低下して固形化しても、上記特定部位に集中して熱量供給することにより、容易に冷却媒体を融解して液化することができる。
その結果、燃料電池システムの始動時に、固形化した冷却媒体の融解を迅速に行うことができ、円滑な始動を確保することができる。
【００１５】
以上のごとく、本発明によれば、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明（請求項１）において、上記無機系冷媒は、無機物で構成された冷媒であって、例えば、硝酸カリウム（KNO3）と亜硝酸ナトリウム（NaNO2）と硝酸ナトリウム（NaNO3）との混合物からなるものがある。また、その混合比としては、例えば、硝酸カリウム（KNO3）５３重量％、亜硝酸ナトリウム（NaNO2）４０重量％、硝酸ナトリウム（NaNO3）７重量％とすることができる。この組成の無機系冷媒は、融点が約１４２℃となる。
【００１７】
上記特定部位は、上記冷却媒体が固形化しても、燃料電池システムに特に悪影響を与えるおそれのない部位とすることができる。
即ち、上記冷媒循環流路における上記特定部位としては、例えば、上記冷媒循環流路中における、バルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素が配設されていない部位等がある。
また、上記冷媒循環流路に連通する上記特定部位としては、例えば、上記冷却媒体を貯蔵するためのタンク等がある。
また、上記冷却媒体の上記特定部位への保持手段としては、例えば、気体や液体の圧送や、吸引、或いは重力を利用することができる。
【００１８】
また、上記燃料電池は、上記水素含有燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸素を含有する酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有燃料ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなることが好ましい（請求項２）。
【００１９】
この場合には、上記燃料電池を、例えば４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃の高温状態で作動させることができる。
即ち、上記燃料電池は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えており、セラミックスからなる上記プロトン伝導体層は水分を含浸させずに用いることができるため、上記のような高温状態で作動させることができる。
【００２０】
そのため、改質器を用いて炭化水素等を改質して上記水素含有燃料ガスを生成する場合に、例えば４００℃以上の高温の水素含有燃料ガスを大幅に冷却させることなく、上記燃料電池に供給することができる。
そして、かかる燃料電池システムに本発明を適用することにより、燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができ、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００２１】
また、上記無機系冷媒は、上記燃料電池の作動温度域で液体状態にある無機系冷媒であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、例えば３００〜６００℃、４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃という上記の水素分離膜型の燃料電池の作動温度領域において、冷却媒体を液体状態に保つことができるため、上記燃料電池の温度分布制御を効率的に行うことができる。
【００２２】
また、上記無機系冷媒は、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムの少なくとも１種を含むことが好ましい（請求項４）。
この場合には、３００℃以上の高温においても変質することなく液体状態に保つことができる冷却媒体を容易に得ることができる。
【００２３】
また、上記特定部位は、上記冷媒循環流路と連通され上記冷却媒体を貯蔵するためのタンクであることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記冷却媒体を上記特定部位に容易に保持することができる。上記特定部位において上記冷却媒体が固形化しても、燃料電池システムに悪影響を与えるおそれがない。
なお、上記冷却媒体は、固形化する際には体積収縮を起こすため、燃料電池システムの停止時に上記タンク内において冷却媒体を保持しても、タンクの破損等のおそれはない。
【００２４】
また、上記特定部位には、上記冷却媒体との熱交換を行うことができる熱交換手段が配設されており、該熱交換手段は、上記燃料電池システムの始動時に上記冷却媒体へ熱量を供給することができるよう構成してあることが好ましい（請求項６）。
この場合には、上記特定部位において固形化した冷却媒体を、燃料電池システムの始動時において早期に融解して液化することができる。これにより、燃料電池システムのより円滑な始動を確保することができる。
【００２５】
また、上記特定部位には蓄熱材が配設されており、上記燃料電池システムの定常作動時における上記冷却媒体の熱量を上記蓄熱材に蓄熱し、上記燃料電池システムの停止時又は始動時に、上記蓄熱材に蓄熱された熱量を上記冷却媒体に供給することができるよう構成してもよい（請求項７）。
この場合には、燃料電池システムの定常作動時において冷却媒体が受けた熱量を、燃料電池システムが停止した際に冷却媒体へ供給して、冷却媒体の固形化を遅らせるために有効利用することができる。また、場合によっては、固形化した冷却媒体へ与える融解熱として有効利用することもできる。これにより、燃料電池システムの効率向上を図ることができる。
上記蓄熱材としては、例えば、溶融塩等を用いることができる。
【００２６】
また、上記冷媒循環流路の少なくとも一部あるいは該冷媒循環流路と連通された部位には、上記冷却媒体と気体の熱交換用流体との熱交換を行うための熱交換手段が設けてあり、該熱交換手段は、上記燃料電池システムの定常作動時に上記冷却媒体と上記熱交換用流体との熱交換を行うことができるよう構成してあることが好ましい（請求項８）。
【００２７】
この場合には、燃料電池システムの定常作動時における燃料電池の冷却効率を向上させることができる。また、上記冷却媒体から熱交換用流体が受け取った熱量を、燃料電池システム内において再利用することもできるため、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
また、燃料電池とは異なり温度分布の均一性を比較的必要としない上記熱交換手段において、液媒体である上記冷却媒体とガス媒体である上記熱交換用流体との熱交換を行うこととなる。これにより、燃料電池における温度分布の均一性を確保して、燃料電池の発電効率を確保することができる。
【００２８】
また、上記熱交換手段における流路緒元の設計により、熱交換手段への熱交換用流体の供給圧力を制御することが容易となり、例えば、熱交換用流体の低圧供給を可能とすることにより、流体駆動用ポンプの補機損失を軽減することで、システムの効率の向上を図ることができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は、図１、図２に示すごとく、水素を含有する水素含有燃料ガス５１を利用して発電を行う燃料電池３を備えている。
燃料電池システム１は、上記燃料電池３を冷却するための冷却媒体４１を循環させる冷媒循環流路４を有している。
そして、上記冷却媒体４１は無機系冷媒である。
【００３０】
上記無機系冷媒としては、硝酸カリウム（KNO3）と亜硝酸ナトリウム（NaNO2）と硝酸ナトリウム（NaNO3）との混合物からなるものを用いる。また、その混合比としては、硝酸カリウム（KNO3）５３重量％、亜硝酸ナトリウム（NaNO2）４０重量％、硝酸ナトリウム（NaNO3）７重量％とすることができる。この組成の無機系冷媒は、融点が約１４２℃となる。
【００３１】
なお、本例では、無機系冷媒として、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムを用いたが、上記冷却媒体４１に使用できる無機系冷媒は、これらに限定されず、水素分離膜型燃料電池の作動温度（例えば３００〜６００℃）で液体状態にある無機物であればよい。
【００３２】
上記燃料電池システム１の停止時においては、図１の矢印Ａに示すごとく、上記冷却媒体４１を、上記冷媒循環流路４に連通する部位における一箇所又は複数箇所の特定部位１６に保持する。
本例においては、該特定部位１６は、上記冷媒循環流路４と連通され冷却媒体４１を貯蔵するためのタンク１４である。
【００３３】
また、図１、図２に示すごとく、上記特定部位１６であるタンク１４には、冷却媒体４１との熱交換を行うことができる熱交換手段６が配設されている。該熱交換手段６は、上記燃料電池システム１の始動時に上記冷却媒体４１へ熱量を供給することができるよう構成してある。
【００３４】
上記熱交換手段６においては、熱交換用流体６１を用いて上記冷却媒体４１との熱交換を行う。上記熱交換用流体６１としては、燃料電池システム１の起動時において燃焼生成した燃焼ガス５５を用いる。即ち、燃焼触媒を用いた燃焼温度８００〜９００℃のリーン燃焼により、燃焼ガス５５を生成する。
【００３５】
上記燃料電池システム１は、停止時において、図１に示すごとく、冷媒循環流路４における冷却媒体４１をタンク１４に回収する。その手段としては、図４に示すごとく、冷媒循環流路４の一部から圧送用ガス７１を圧送することにより、冷媒循環流路４内の冷却媒体４１を全てタンク１４に回収する。上記圧送用ガス７１としては、例えばＮ2ガス、燃焼ガス等を用いることができる。また、上記冷媒循環流路１４には、上記圧送用ガス７１を導入するための三方弁等が配設されている。
【００３６】
なお、上記圧送用ガス７１の代わりに、常温において液体状態を保つことができる液体を圧送することもできる。この液体としては水などを用いることができる。
或いは、図５の矢印Ｃに示すごとく、吸引ポンプ等を用いて、冷媒循環流路１４の冷却媒体４１を吸引することもできる。この場合、タンク１４と冷媒循環流路４の一部を連結しておいて、タンク１４のガス７２を冷媒循環流路４に導入することにより圧力バランスをとり、冷却媒体４１の回収を可能とする。
或いは、冷媒循環流路４の何れの部位よりも低い位置にタンク１４を配置しておくことにより、燃料電池システム１の停止時に、冷却媒体４１が重力によってタンク１４（特定部位１６）に自然落下するよう構成してもよい。
【００３７】
そして、上記燃料電池システム１の始動時に、タンク１４内に配した流路に熱交換用流体６１を流通させることにより、冷却媒体４１との熱交換を行い、冷却媒体４１を融解、液化する。この流路はタンク１４の周囲に配してもよい。
そして、上記燃料電池システム１の始動時には、図２の矢印Ｂに示すごとく、タンク１４内の液状の冷却媒体４１を冷媒循環流路４へ送り込む。その手段としては、循環用ポンプに冷却媒体４１が満たされた状態からポンプを始動して、上記冷媒循環流路４へ冷却媒体４１を送り込む。
【００３８】
また、システムの定常作動時には、タンク１４と冷媒循環流路４との間のバルブを閉じて、冷却媒体４１を上記冷媒循環流路４において循環させてもよいし、タンク１４にも冷却媒体４１を循環させ、タンク１４内において冷却媒体４１を温度調整しつつ冷媒循環流路４に送り込むこともできる。
【００３９】
上記燃料電池３は、図１〜図３に示すごとく、上記水素含有燃料ガス５１が供給されるアノード流路３２と、酸素を含有する酸素含有ガス５２が供給されるカソード流路３３と、該カソード流路３３と上記アノード流路３２との間に配設された電解質体３１とを有している。該電解質体３１は、上記アノード流路３２に供給された水素含有燃料ガス５１中の水素を透過させるための水素分離金属層３１１と、該水素分離金属層３１１を透過した水素を水素プロトンの状態にして透過させてカソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。
【００４０】
上記水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層金属からなる。なお、水素分離金属層３１１は、パラジウムのみでもよく、これを含有する合金とすることもできる。また、水素分離金属層３１１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ2を超える水素透過性能（水素分離性能）を有している。こうして、水素分離金属層３１１の導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、上記プロトン伝導体層３１２は、セラミックスとしてのペロブスカイト型酸化物からなる。そして、プロトン伝導体層３１２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系のもの、ＳｒＣｅＯ3系のものがある。
【００４１】
また、図３に示すごとく、上記電解質体３１は、上記プロトン伝導体層３１２における上記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１（陽極）と、上記プロトン伝導体層３１２における上記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１（陰極）とを有している。また、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間には、上記燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３６が接続されている。
【００４２】
また、上記プロトン伝導体層３１２におけるアノード電極３２１は、上記水素分離金属層３１１を構成するパラジウムにより構成している。また、上記プロトン伝導体層３１２におけるカソード電極３３１は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３２１も、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。
上記燃料電池３の作動温度は４００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃であり、この温度範囲に燃料電池３の温度を保つように、図１、図２に示すごとく、冷却媒体４１を冷媒循環流路４に流通させている。
【００４３】
また、図１、図２に示すごとく、上記燃料電池システム１は、改質用燃料５０から水素含有燃料ガス５１を生成する改質反応流路２１と、該改質反応流路２１を加熱するための加熱流路２２とを有する改質器２を備えている。
また、上記加熱流路２２においては、改質器燃焼用ガス５４を供給してこれを燃焼させることにより、改質反応流路２１を加熱する。
上記改質用燃料５０としては、炭化水素燃料を用いる。また、上記改質器燃焼用ガス５４としては、改質原料の炭化水素燃料を用いる。また、これに代えて、或いはこれと共に、未使用Ｈ2、加熱ＣＯ、ＣＨ4などを含むアノードオフガス５１１を加熱流路２２に供給し、燃焼させることもできる。
【００４４】
また、図１、図２に示すごとく、上記改質器２と燃料電池３との間には、燃料ガス用熱交換器１１が配設されており、改質器２において生成した水素含有燃料ガス５１の温度を調整して、燃料電池３に送り込むよう構成されている。また、上記燃料ガス用熱交換器１１においては、燃料電池３のカソード流路３３から排出されたカソードオフガス５２１との間で熱交換させることにより、上記水素含有燃料ガス５１の温度を調整する。
【００４５】
図１、図２に示すごとく、上記燃料ガス用熱交換器１１を通過して高温の状態となっているカソードオフガス５２１は、改質器２の改質反応流路２１に導かれる。これにより、燃料電池３における反応に使用されなかったカソードオフガス５２１中の残存酸素とガス顕熱により輸送される熱を、改質反応流路２１において有効に利用することができる。
【００４６】
また、燃料電池３のアノード流路３２から排出された高温のアノードオフガス５１１は、改質器２の加熱流路２２に導かれる。これにより、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過しなかったアノードオフガス５１１中の残存水素とガス顕熱により輸送される熱を、加熱流路２２において有効に利用することができる。
また、上記改質器２の加熱流路２２から排出された改質器燃焼オフガス５４１は、燃料電池システム１の外部に排出される。
なお、図１、図２は燃料電池システム１の模式図であり、冷媒循環流路４や熱交換流路６０等の流路に設けられた、各種ポンプ、各種バルブ、各種弁、その他の要素については記載を省略してある。
【００４７】
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システム１においては、上記燃料電池３を冷却するための冷却媒体４１として、無機系冷媒を用いている。無機系冷媒は無機物により構成されているため熱安定性に優れ、３００℃以上という高温においても変質することがない。
それ故、上記無機系冷媒は、作動温度を３００℃以上の所定領域（本例の場合は４００〜６００℃）とする燃料電池３を温度制御するための冷却媒体４１として、充分に機能することができる。
【００４８】
また、上記無機系冷媒は、３００℃以上において液体の状態に保つことができる。即ち、本例の無機系冷媒の融点は約１４２℃であり、３００℃以上においては液体状態である。
それ故、上記冷却媒体４１（無機系冷媒）を熱容量の大きい状態で冷媒循環流路４に流通させることができるため、燃料電池３との熱交換効率を高くすることができる。そして、燃料電池３を通過する間における冷却媒体４１の温度上昇を抑制することができるため、燃料電池３内部の温度分布の均一化を図ることができる。
【００４９】
また、上記燃料電池システム１の停止時においては、上記冷却媒体４１を、上記冷媒循環流路４に連通する特定部位１６、即ちタンク１４に保持する（図１）。そのため、冷却媒体４１が温度低下して固形化しても、上記特定部位１６において固形化させることとなる。特定部位１６は、バルブ、駆動部、調整弁等の各種要素が配設されていない部位であるタンク１４内にあるため、上記各種要素の作動不良等の不具合発生を防ぐことができる。その結果、燃料電池システム１の円滑な作動を確保することができる。
【００５０】
また、上記燃料電池システム１の停止時に冷却媒体４１を上記特定部位１６に集めておくことにより、冷却媒体４１の表面積を小さくして温度低下を緩和することができ、固形化の速度を遅らせることができる。
更に、冷却媒体４１を特定部位に集めておけば、冷却媒体４１が温度低下して固形化しても、上記特定部位１６に集中して熱量供給することにより、容易に冷却媒体４１を融解して液化することができる。
その結果、燃料電池システム１の始動時に、固形化した冷却媒体４１の融解を迅速に行うことができ、円滑な始動を確保することができる。
【００５１】
また、上記燃料電池３は、図３に示すごとく、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１を有する燃料電池である。
そのため、上記燃料電池３を、４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃の高温状態で作動させることができる。即ち、上記燃料電池３は、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１１を備えており、セラミックスからなる上記プロトン伝導体層３１２は水分を含浸させずに用いることができるため、上記のような高温状態で作動させることができる。
【００５２】
そのため、改質器２を用いて炭化水素（改質用燃料５０）を改質して生成された、４００〜６００℃という高温の水素含有燃料ガス５１を大幅に冷却させることなく、上記燃料電池３に供給することができる。
そして、かかる燃料電池システム１に本発明を適用することにより、燃料電池３の温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができ、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。
【００５３】
また、特にこのような燃料電池３においては、温度分布が内部に生ずると、熱応力の発生による耐久性の低下の要因となるが、上記のごとく温度分布の均一化を図ることにより、燃料電池３の耐久性を向上させることができる。また、この均一温度場の実現により、燃料電池３内における水素脆化や金属拡散等の不具合も防止することができる。
【００５４】
また、上記特定部位１６は上記タンク１４であるため、上記冷却媒体４１を容易に保持することができる。
また、上記冷却媒体４１は、固形化する際には体積収縮を起こすため、燃料電池システム１の停止時に上記タンク１４内において冷却媒体４１を保持しても、タンク１４の破損等のおそれはない。
【００５５】
また、図１に示すごとく、上記特定部位１６（タンク１４）には上記熱交換手段６が配設されており、該熱交換手段６は、燃料電池システム１の始動時に冷却媒体４１へ熱量を供給することができるよう構成してある。そのため、上記特定部位１６において固形化した冷却媒体４１を、燃料電池システム１の始動時において早期に融解して液化することができる。これにより、燃料電池システム１のより円滑な始動を確保することができる。
【００５６】
以上のごとく、本例によれば、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。
【００５７】
（実施例２）
本例は、図６〜図８に示すごとく、燃焼ガス５５を燃料電池システム１における種々の構成要素に循環させた後に、熱交換用流体６１として特定部位１６（タンク１４）に送るよう構成した例である。
即ち、改質器２の上流に配置した燃焼触媒により改質用燃料５０を燃焼させる。そして、これにより得られる燃焼ガス５５を循環させることにより、改質器２を初めとする燃料電池システム１の各構成要素の暖機を行う。
【００５８】
図６に示す燃料電池システム１は、システム起動時における燃焼ガス５５を、改質器２の改質反応流路２１、燃料ガス用熱交換器１１、及び燃料電池３のアノード流路３２を順次通過させた後、熱交換用流体６１としてタンク１４内の流路に導入するよう構成してある。そして、冷却媒体４１と熱交換した後の燃焼ガス５５は、燃料電池システム１の外部に排出する。
【００５９】
図７に示す燃料電池システム１は、上記燃焼ガス５５を、改質器２の改質反応流路２１、燃料ガス用熱交換器１１、及び燃料電池３のアノード流路３２を順次通過させた後、更に改質器２の加熱流路２２を通過させ、その後、熱交換用流体６１としてタンク１４内の流路に導入するよう構成してある。
【００６０】
図８に示す燃料電池システム１は、上記燃焼ガス５５を、改質器２の改質反応流路２１を通過させた後、燃料ガス用熱交換器１１を通す代わりにタンク１４内の流路を通して、燃料電池３のアノード流路３２に導入するよう構成してある。その後、燃焼ガス５５を改質器２の加熱流路２２に導入する。
その他は、実施例１と同様である。
【００６１】
本例の場合にも、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６２】
（実施例３）
本例は、図９〜図１３に示すごとく、燃料電池システム１の停止時において、冷却媒体４１を、冷媒循環流路４における複数箇所の特定部位１６に保持するよう構成した例である。
上記特定部位１６は、冷却媒体４１が固形化しても、燃料電池システム１に特に悪影響を与えるおそれのない部位であり、上記冷媒循環流路４中における、バルブ、駆動部、調整弁等の各種要素４２が配設されていない部位である（図１０、図１１）。
【００６３】
上記特定部位１６へ冷却媒体４１を保持する手段としては、図１０に示すごとく、冷媒循環流路４における最も低い位置を上記特定部位１６とすることにより、燃料電池システム１の停止時に、冷却媒体４１が重力によって特定部位１６に自然落下するよう構成する。即ち、上記冷媒循環流路４における最も低い部位には、バルブ等の要素４２を配設しない。
また、図１１に示すごとく，冷媒循環流路４における要素４２の近傍から圧送用ガス７１を圧送することにより、上記要素４２のない特定部位１６に冷却媒体４１を保持することもできる。
【００６４】
また、図９に示すごとく、上記冷媒循環流路４には、上記冷却媒体４１との熱交換を行うための熱交換手段６が設けてある。該熱交換手段６は、気体或いは液体の熱交換用流体６１を用いて上記冷却媒体４１との熱交換を行う。
上記熱交換用流体６１は、上記冷媒循環流路４と並行して配設された熱交換流路６０を流通する。
【００６５】
上記熱交換手段６は、図１２に示すごとく、上記冷媒循環流路４を外側に配し、上記熱交換流路６０を内側に配した二重管を構成することによって実現することができる。また、その逆の構成によって実現することもできる。
また、図１３に示すごとく、複数の冷媒循環流路４と複数の熱交換流路６０とを交互に積層してなる積層管によって、上記熱交換手段６を構成することもできる。
なお、図１２、図１３においては、冷媒循環流路４内の冷却媒体４１が固形化した状態を描いている。
【００６６】
また、上記熱交換流路６０は、図９に示すごとく、上記冷媒循環流路４の略全長にわたって形成されている。ただし、熱交換流路６０は、冷媒循環流路４の一部に形成することもできる。
上記熱交換用流体６１としては、燃料電池システム１の起動時において燃焼生成した燃焼ガス５５を用いることができる。この燃焼ガス５５は、上記実施例２と同様に、燃料電池システム１における種々の構成要素に循環させた後に、熱交換用流体６１として熱交換流路６０に送るよう構成してもよい。
その他は、実施例１と同様である。
【００６７】
本例の場合には、冷却媒体４１を、冷媒循環流路４における複数箇所に分散した状態で固形化させることで、冷却媒体４１と熱交換用流体６１との熱交換効率を向上させ、冷却媒体４１の融解速度を向上させることができる。
また、本例の燃料電池システム１は、タンク（図１の符号１４参照）を設ける必要がないため、タンクの熱容量分、燃料電池システム１の始動時に必要な熱量を削減することができ、より円滑な始動を確保することができる。
なお、上記冷却媒体４１は、固形化に伴って体積収縮するため、冷媒循環流路４内において固形化しても、配管の破裂、変形等の不具合を招くおそれはない。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６８】
（実施例４）
本例は、図１４、図１５に示すごとく、冷媒循環流路４に、冷却媒体４１と気体の熱交換用流体６１との熱交換を行うための熱交換ユニット６２を設け、燃料電池システム１の定常作動時に冷却媒体４１と熱交換用流体６１との熱交換を行うことができるよう構成した例である。
【００６９】
即ち、冷却媒体４１と熱交換用流体６１とをそれぞれ内部に流通させて冷却媒体４１と熱交換用流体６１との間で熱交換させる熱交換ユニット６２を、冷媒循環流路４の一部に組み込む。
上記熱交換ユニット６２としては、例えば、プレートフィン型熱交換器や、フィンアンドチューブ型熱交換器などがある。
【００７０】
上記熱交換ユニット６２において冷却媒体４１と熱交換させる熱交換用流体６１としては、例えば、図１４に示すごとく、改質器２の加熱流路２２へ供給する前の改質器燃焼用ガス５４を用いることができる。即ち、熱交換ユニット６２に、上記改質器燃焼用ガス５４を熱交換用流体６１として流通させる。そして、改質器燃焼用ガス５４は、冷却媒体４１との熱交換を行った後に、改質器２の加熱流路２２に供給される。
【００７１】
或いは、図１５に示すごとく、燃料電池３のアノード流路３２から排出されたアノードオフガス５１１を、熱交換用流体６１として熱交換ユニット６２に導入するよう構成してもよい。そして、冷却媒体４１と熱交換した後のアノードオフガス５１１は、改質器２の加熱流路２２に導入することができる。
なお、図示は省略したが、熱交換用流体６１として、カソード流路３３から排出されるカソードオフガスを用いる構成とすることもできる。
その他は、実施例１と同様である。
【００７２】
本例の場合には、燃料電池システム１の定常作動時における燃料電池３の冷却効率を向上させることができる。また、冷却媒体４１から熱交換用流体６１が受け取った熱量を、燃料電池システム１内において再利用することもできるため、燃料電池システム１の効率を向上させることができる。
【００７３】
即ち、図１４に示す燃料電池システム１においては、改質器燃焼用ガス５４を昇温させて改質器２の改質反応流路２１に送ることができ、図１５に示す燃料電池システム１においては、アノードオフガス５１１を昇温させて改質器２の加熱流路２２に導入することができる。これにより、燃料電池システム１の効率を向上させることができる。
【００７４】
また、燃料電池３とは異なり温度分布の均一性を比較的必要としない上記熱交換ユニット６２において、液媒体である上記冷却媒体４１とガス媒体である上記熱交換用流体６１との熱交換を行うこととなる。これにより、燃料電池３における温度分布の均一性を確保して、燃料電池３の発電効率を確保することができる。
また、上記熱交換ユニット６２への熱交換用流体６１の供給圧力を制御することが容易となり、例えば、熱交換用流体６１の低圧供給を可能とすることにより、流体駆動用のポンプの補機損失を軽減することで、システムの効率の向上を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７５】
（実施例５）
本例は、図１６、図１７に示すごとく、特定部位１６であるタンク１４に蓄熱材６３を配設した燃料電池システム１の例である。
該燃料電池システム１においては、定常作動時における冷却媒体４１の熱量を蓄熱材６３に蓄熱し、燃料電池システム１の停止時又は始動時に、蓄熱材６３に蓄熱された熱量を上記冷却媒体４１に供給することができるよう構成してある。
【００７６】
上記蓄熱材６３は、図１６に示すごとく、上記タンク１４の外周に配設してもよいし、図１７に示すごとく、上記タンク１４の内部に配設してもよい。
また、上記蓄熱材６３としては、例えば、溶融塩等を用いることができる。
その他は、実施例１と同様である。
【００７７】
本例の場合には、燃料電池システム１が停止した際に冷却媒体４１へ供給して、冷却媒体４１の固形化を遅らせるために有効利用することができる。また、場合によっては、固形化した冷却媒体４１へ与える融解熱として有効利用することもできる。これにより、燃料電池システム１の効率向上を図ることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００７８】
（実施例６）
本例は、図１８に示すごとく、燃料電池３のアノード流路３２から排出されたアノードオフガス５１１を熱交換用流体６１として、タンク１４内の流路に導入するよう構成した燃料電池システム１の例である。
また、上記タンク１４を通過した熱交換用流体６１は、冷媒循環流路４と並行して配設された熱交換流路６０に導入されて、ここにおいても冷却媒体４１と熱交換を行うことができる。
【００７９】
更に、冷媒循環流路４には、実施例４において示した熱交換ユニット６２が配設されている。そして、該熱交換ユニット６２にも、上記熱交換用流体６１が導入されて、ここにおいても冷却媒体４１と熱交換を行うことができる。
本例においても、図１８に示すごとく、上記燃料電池システム１の停止時に、上記冷却媒体４１を、特定部位１６であるタンク１４に回収するよう構成してある。
その他は、実施例１と同様である。
【００８０】
本例の場合には、燃料電池システム１の始動時には、タンク１４における冷却媒体４１の融解、液化を確実に行うことができ、定常作動時においては、熱交換流路６０や熱交換ユニット６２によって冷却媒体４の温度制御を行うことができる。
また、熱交換用流体６１として、上記アノードオフガス５１１を用いるため、該アノードオフガス５１１の熱量を有効利用して、燃料電池システム１の効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施例１における、燃料電池システムの停止時の模式図。
【図２】実施例１における、燃料電池システムの始動時の模式図。
【図３】実施例１における、燃料電池の説明図。
【図４】実施例１における、ガス圧送による冷却媒体の回収方法の説明図。
【図５】実施例１における、吸引による冷却媒体の回収方法の説明図。
【図６】実施例２における、第１の燃料電池システムの模式図。
【図７】実施例２における、第２の燃料電池システムの模式図。
【図８】実施例２における、第３の燃料電池システムの模式図。
【図９】実施例３における、燃料電池システムの模式図。
【図１０】実施例３における、重力を利用した冷却媒体の回収方法の説明図。
【図１１】実施例３における、ガス圧送による冷却媒体の回収方法の説明図。
【図１２】実施例３における、熱交換手段としての二重管の断面図。
【図１３】実施例３における、熱交換手段としての積層管の断面図。
【図１４】実施例４における、第１の燃料電池システムの模式図。
【図１５】実施例４における、第２の燃料電池システムの模式図。
【図１６】実施例５における、第１の燃料電池システムの模式図。
【図１７】実施例５における、第２の燃料電池システムの模式図。
【図１８】実施例６における、燃料電池システムの模式図。
【符号の説明】
【００８２】
１  燃料電池システム
１４  タンク
１６  特定部位
２  改質器
２１  改質反応流路
２２  加熱流路
３  燃料電池
３１  電解質体
３１１  水素分離金属層
３１２  プロトン伝導体層
３２  アノード流路
３３  カソード流路
４  冷媒循環流路
４１  冷却媒体
５１  水素含有燃料ガス
６  熱交換手段
６０  熱交換流路
６１  熱交換用流体
６２  熱交換ユニット
【図１】
2005353471.tif 000003
【図２】
2005353471.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005353471.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005353471.tif 000012
【図１１】
2005353471.tif 000013
【図１２】
2005353471.tif 000014
【図１３】
2005353471.tif 000015
【図１４】
2005353471.tif 000016
【図１５】
2005353471.tif 000017
【図１６】
2005353471.tif 000018
【図１７】
2005353471.tif 000019
【図１８】
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